微侃醫林 133: DNA 雙螺旋的發現 （下）

六

鮑林幾乎沒有依靠X 射線衍射圖像就確定了蛋白質的α螺旋， 但是沃森知道，準確的 X 射線數據可以幫助他們更快地研究DNA，同時防止走彎路。到了劍橋後，沃森一直惡補晶體X射線衍射學理論。

英國物理、分子生物學家阿斯特伯裏 (W.T. Astbury) 1947年拍攝的DNA X 射線衍射圖是沃森的起點。 但是沃森知道威爾金斯實驗室的X衍射照片更重要，或者說富蘭克林的實驗更重要。現在幾乎隻是富蘭克林在作DNA X 射線衍射實驗。

沃森和克裏克一個又一個念頭，富蘭克林和她的博士生高斯林一個又一個實驗。1951年11月中旬，富蘭克林開了一個工作研討會，總結她6個多月的研究成果。威爾金斯邀請沃森參加，他非常高興。 沃森知道富蘭克林的研究結果，包括X 射線衍射照片，可能為DNA 螺旋結構提供線索。

富蘭克林的報告，給了沃森什麽啟發幫助，沃森一點沒提。他說富蘭克林認為她的實驗隻是開始，並不能測試有關 DNA 的任何基本內容。 她需要收集更多數據。

第二天，沃森與克裏克見麵，講述富蘭克林的報告內容。 由於記不清細節，讓克裏克皮毛火燥。沃森講完，克裏克開始在一張白紙上亂畫。以後，他們開始嚐試建立DNA 模型。毫無疑問，富蘭克林的報告，富蘭克林的X 射線衍射照片，給了他們足夠的自信，讓他們認為有足夠的實驗資料，建立DNA模型。不管富蘭克林對她自己的研究結果怎麽認為。

照片A/富蘭克林，富蘭克林在研討會上很可能展示了這張照片。

 

 

 

 

 

鼓搗了半年多。1951年7 月，沃森和克裏克完成了他們的模型。DNA 有四種不同的堿基，相同的糖和磷酸。沃森設想糖和磷酸的主鏈非常規則，而堿基順序則非常不規則，否則就沒有基因的多樣性。這個DNA 是三根螺旋。每2.8 nm繞軸一圈。 糖和磷酸鍵組成鏈, 在螺旋裏麵, 堿基在鏈的外麵。磷酸是負電，負負相斥，是什麽力把這些磷酸連在一起？ 沃森認為是鎂離子。

在建立模型的過程中，他們以富蘭克林的數據作為根據。模型完成後，再用富蘭克林的實驗數據驗證。 

模型終於做完，看起來很成功。大家到綠門餐廳吃飯。克裏克不久前向自然投稿一篇關於α角蛋白的文章，即將發表。現在好像又來了一個重大突破。他的太太也在餐桌旁。雖然不懂沃森他們談的什麽，但是她感到克裏克的事業正在起飛。她憧憬著富裕的生活，擁有一輛汽車。

克裏克給威爾金斯打了個電話，邀請威爾金斯過來觀看他們的模型。一個星期 後，威爾金斯和他的實驗夥伴威利舍茲（Willy Seeds），富蘭克林和博士生高斯林一起來到。

威爾金斯沒有說什麽，隻是要求模型不要超過他的幾個同事的數學範疇。富蘭克林則把他們的模型貶的一錢不值。1： 沒有證據證明DNA 是螺旋形。需要進一步的X衍射來證明或證誤。2： 鎂離子不可能把磷酸連接在一起，因為鎂離子被水分子緊密包圍，不可能成為一個緊密結構的關鍵部件。3: X 衍射圖像不支持三螺旋結構。富蘭克興猶未盡，回去後又寫了一張紙條，宣告DNA螺旋的死亡，要為DNA 螺旋開追悼會。

富蘭克林的悼文，幽默甚至刻薄，幸災樂禍。（維基）。

半年多的心血，被富蘭克林一頓臭罵就泡湯了。富蘭克林的評論，還傳到大老板布拉格那裏。威爾金斯的老板和布拉格商量，認為克裏克和那個美國佬沃森，山寨他們投入巨金研究的DNA沒有意義。 意思是版權所有，國王學院不喜歡他們插手。布拉格禁止他們再搞DNA 模型。沃森和克裏克，灰頭土臉。克裏克還發愁他什麽時候才能拿到博士學位證。大老板布拉格也為這個發愁，克裏克可能再等5年都畢不了業。 5 年？他怎麽受得了克裏克那張大嘴巴？

七

威爾金斯、富蘭克林對沃森、克裏克關上大門，不願意提供信息，不再邀請他們參加座談會。沃森並不泄氣。他一方麵在實驗室幹活，研究煙草花病毒, 為了有點研究成果，好繼續拿獎學金。 1952年6月，他證明了煙草花病毒（TMV）是螺旋結構。另一方麵惡補知識，學習理論化學，閱讀期刊。閱讀克裏克借給他的書《化學鍵的本質》。研究肌肉和膠原纖維的電子顯微鏡照片，尋找螺旋的跡象。學習X射線拍攝技術。每一個螺旋樓梯，都讓他相信其他生物結構也具有螺旋對稱性。與此同時，沃森和克裏克一直在思考、探索DNA結構之謎。

奧地利的生物化學家歐文·查加夫 (Erwin Chargaff)發現：在他們所有的 DNA 製品中，腺嘌呤 (A) 的數量與胸腺嘧啶 (T) 的數量非常相似。而鳥嘌呤 (G) 的數量又與胞嘧啶 (C) 的數量非常接近。 此外，不同的生物，這些堿基的比重不盡相同。 有些生物體的 DNA 含更多的 A 和 T，而其它則含更多的 G 和 C。為什麽AT、GC 數目相似？為什麽不同生物AT、GC 數目不同？查加夫驚人的發現，生物意義是什麽？

歐文·查加夫 (Erwin Chargaff) （維基）

 

 

卡文迪什實驗室的數學家、理論化學家約翰·格裏菲斯 （John Griffith）計算發現，腺嘌呤和胸腺嘧啶可以通過表麵相互粘附, 鳥嘌呤和胞嘧啶之間也有類似的吸引力。克裏克對此感到興奮，他馬上想到這兩隊相互粘附的堿基，就是查加夫發現的數目相同的堿基對。

1952年7月，查加夫訪問劍橋，讓沃森、克裏克興奮。但查加夫對他們兩個人不感興趣。沃森一頭亂發，看起來像一個美國瘋子。克裏克連4個堿基的化學差異都不知道，也記不得哪些堿基有氨基。克裏克辯解說他總是可以查到這些信息。查加夫不買賬, 認為他們兩個人不知道要到哪裏，怎麽到那裏。

1953年1月中旬。鮑林的兒子，來劍橋不久的彼得，給沃森帶來一份鮑林文章的拷貝。他的表情讓克裏克和沃森心底一沉，以為鮑林捷足先登，發現了DNA 的結構。一分鍾掃完鮑林的文章後，沃森放心了。鮑林的模型也是三鏈螺旋，糖磷酸骨架位於中心。和他們失敗的模型一樣。 晚飯，沃森和克裏克為鮑林的失敗幹杯。但是他們並沒有就此放鬆。一旦鮑林意識到他的錯誤，他會迅速糾正，最終成功。

幾天後，沃森帶上鮑林的手稿去找威爾金斯和富蘭克林，聽他們的看法。威爾金斯正忙，沃森於是去找富蘭克林。熟門熟路，看來他去過不少次，雖然彼此沒有好感。富蘭克林不需要沃森。她泡在她自己的實驗裏，有她自己的目標和煩惱，特別是與威爾金斯的爭鬥，正在準備離開。沃森則離不開富蘭克林，不管富蘭克林的話多刺耳。他得依靠富蘭克林的實驗資料，依靠富蘭克林的權威判斷。

沃森不敲門就進去，富蘭克林不高興。沃森厚著臉皮，告訴富蘭克林鮑林的手稿。說鮑林的三螺旋與他和克裏克半年前的模型相似。富蘭克林告訴他，她的X 射線衍射圖證明，任何認為DNA是螺旋的人，都是傻瓜。 沃森認為他比富蘭克林更了解她的實驗數據，反駁暗示她讀不懂自己的X衍射照片。突然，富蘭克林從實驗室長桌子後麵走出來，向沃森走去。沃森以為富蘭克林要揍他一頓，趕快逃跑， 在門口碰上來找他的威爾金斯。

來到他的實驗室，威爾金斯向沃森透露，他和他的助手威爾遜一直在偷偷複製富蘭克林的X 射線衍射結果。從去年夏天開始，富蘭克林就掌握了新的三維 DNA 形式。威爾金斯又給沃森看富蘭克林新的DNA X 射線衍射圖。威爾金斯和沃森，似乎都被富蘭克林欺負或者小看，同病相憐。同時又公開或者秘密地，持之以恒地在她身邊幹間諜勾當。

Photo 51， B型DNA晶體 （維基）。

一看到照片（後來有名的51號照片），沃森嘴巴張大，心跳加快。 與富蘭克林以前的照片A型DNA比較，照片51 直接明了。看了圖，沃森馬上相信，DNA 是螺旋結構，而且他還可以推出螺旋的幾個參數。 更讓他高興的是，威爾金斯和富蘭克林，還沒有意識到這張圖的重要意義。 雖然威爾金斯也相信螺旋結構。

從倫敦返回劍橋，坐在冰冷的火車車廂裏，沃森在報紙邊緣化畫出他記得的B 圖。 然後又推敲是兩鏈還是三鏈。

回到劍橋，沃森找到大老板布拉格，要求再作DNA 模型，同時要求卡文迪什實驗室工場機械師製作堿基模塊。布拉格最初沉默不語。當沃森透露51號照片的細節後，布拉格馬上同意。

從富蘭克林的51號照片，沃森得到或者推出幾個概念： 1 雙螺旋。2 螺旋34 Å（3.4 nm）轉一圈。 3 螺旋直徑20 Å （2.0 nm）。4 堿基在垂直於螺旋軸的方向彼此堆疊。沃森與克裏克討論，克裏克認為應該給三鏈和雙鏈給與同樣的考慮。

實驗室工場的機械師首先作出糖和磷酸的模塊。沃森開始建立主鏈模型。一開始，他仍然把主鏈放在中心。因為他感到把堿基放在中心，會產生太多模型。 另外他不知道如何處理放在裏麵的堿基。雖然把堿基放在外麵，與富蘭克林的51號照片不相容。

沃森總是擔心。又折騰了幾天，再次拆掉模型後，他決定試一試把主鏈放在外麵，堿基放在中心，堿基和主鏈的角度是30-40度。新的主鏈看起來更符合立體化學。

沃森辛苦工作，日思夜想。周末照常爬梯。 另外，打網球、看電影、泡妞。

如何安排螺旋鏈中心的堿基是個頭痛的難題。4個堿基形狀大小不一，而堿基係列應該不規則，否則就沒有遺傳的多樣性。不規則的堿基排列，有的地方，大的堿基會把主鏈向外擠。有的地方，小的堿基又使主鏈內有縫隙。凹凸不平，2條主鏈可能相互纏繞，亂七八糟。另外，堿基如何連在一起，從而使兩條鏈連在一起？沃森和克裏克一直認為不是氫鍵。重讀了 J. M. Gulland 和 D. 0. Jordan 關於 DNA 酸堿滴定的論文後，他們改變主意，認為至少大部分堿基靠氫鍵連接。

一個多星期過去，工場還沒有把堿基模塊作出來。沃森在紙上畫腺嘌呤環。 他發現相同的堿基，都可以用兩個氫鍵連接。不過，常見的腺嘌呤互變異構體不會與腺嘌呤形成氫鍵。沃森想，也許有腺嘌呤特異性酶，讓腺嘌呤插入到鏈上另一個腺嘌呤的對麵。難道這就是堿基連接的方式？ 沃森心跳再次加速。他感到他發現了遺傳的秘密。基因複製，首先是兩條鏈分開後作為模板，複製出相同的另一條鏈，從而把基因遺傳。

相同堿基配對The double helix by James D. Watson

 

 

 

沃森回到住處，越想越高興。兩個多小時，他躺在黑暗中，成對的腺嘌呤在閉上的眼睛前旋轉。 隨後，他又感到恐懼，這麽聰明的想法萬一是錯誤的呢？

早晨一到辦公室，沃森就開始描述他的想法。辦公室同事，美國晶體學家傑裏·多諾霍 （Jerry Donohue）說他的模型行不通。堿基連接應該是酮的形式，而不是烯醇構型。傑裏·多諾霍告訴沃森，不要在他靈機一動的構想上浪費時間。 就像不服氣富蘭克林，又不得不服一樣, 沃森不得不聽傑裏·多諾霍。 因為他對氫鍵比世界上任何人都知道的多，而且從來不對自己不知道的東西發言。

克裏克來了，也不喜歡這個堿基近親結婚的設想。如果這麽相配，每條鏈要68 Å才旋轉一圈，與富蘭克林的51號照片不符。此外，不符合查加夫規則，腺嘌呤數=胸腺嘧啶，鳥嘌呤=胞嘧啶）。

沃森想不出其它方案，一下午都在用硬紙板剪堿基模塊。

第二天早上，沃森來到空蕩蕩的辦公室，把桌麵上的文件搬開，把紙板堿基在上麵擺過來擺過去，以不同的方式連接。他突然意識到： 兩個氫鍵把腺嘌呤/胸腺嘧啶連在一起，形狀和至少兩個氫鍵連接在一起的鳥嘌呤/胞嘧啶完全相同。

The double helix by James D. Watson

多諾霍來到辦公室。沃森問他，是不是反對這種新的配對。多諾霍一聲“不” 字出口，沃森頓時情緒爆漲。他懷疑他已經解開了為什麽嘌呤和嘧啶數目相等之謎，找到了查加夫規則的原因。更重要的是，他找到了遺傳複製的答案。通過配對的堿基，一條單鏈就是另一條鏈的模板。

克裏克也來了。他也是情緒暴漲，但是假裝鎮靜，保持懷疑態度。他把堿基以不同的方式擺在一起（或者是裝模作樣），找不出其它更滿意的方式。 克裏克發現連接堿基和糖的糖苷鍵和螺旋軸垂直，堿基可以交換位置，但糖苷鍵仍然指向同樣的方向。這意味著同一條鏈可以同時含有嘌呤和嘧啶，而且兩條鏈必須朝相反的方向運行。

最後還有一個問題，A-T 和 G-C 堿基對能否如意插進兩根螺旋之間。這隻有建立完整的模型，才能回答。 雖然如此，午飯時，克裏克告訴每個人，他和沃森已經找到了生命的秘密。沃森有點嫌克裏克那張大嘴巴報喜太快，但也忍不住興奮。DNA結構被他們解決了，他們的名字將和DNA雙螺旋永遠聯在一起。

又過了一天，工場送來金屬堿基模塊製造出來。沃森開始建立完整的模型。建完以後，克裏克又左看右看，沒發現什麽問題。然後一起去吃晚飯。他們春風得意，意識到他們要得諾貝爾獎。

劍橋卡文迪什實驗室從大老板布拉格到導師，到同事，都來看模型。 威爾金斯來看模型。克裏克在他旁邊說個不停，這個模型如何符合晶體衍射圖像。威爾金斯盯著雙螺旋模型，沒有注意克裏克在說什麽。克裏克突然閉嘴。晶體X 射線衍射，威爾金斯還沒有他懂得多嗎？ 威爾金斯自己不能弄清楚嗎？威爾金斯好像全盤接受了這個模型。不知道他內心是不是閃過一點憤怒。都是他的實驗室的成果，他的上司還要求沃森/克裏克不要摻和，現在居然被他們搶了頭功。沃森說威爾金斯的聲音沒有一絲苦澀，臉上沒有任何怨恨的痕跡。

威爾金斯回去後，打電話來說富蘭克林也支持他們的雙螺旋結構。實際上，富蘭克林在知道他們的模型前，X 射線衍射圖已經迫使她接受螺旋結構。她也接受了A-T 和 G-C 配對的構架。

不斷有人來到沃森他們的辦公室看DNA 模型。每次來人，沃森和多諾霍就躲到一邊，克裏克就帶著訪客參觀DNA 模型，他的大嗓門一遍又一遍重複同樣的講解，樂在其中。

沃森和克裏克的DNA 雙螺旋模型（維基）

八

沃森和克裏克隨即寫出文章。大老板布拉格讀了他們的文章，作了一些小小的修改建議，表示要給自然雜誌寫一封強烈的推薦信。大老板很高興，DNA結構的突破來自他的實驗室，而不是加州鮑林的實驗室。大老板大概從此對克裏克另眼看待。克裏克那張大嘴巴也不那麽刺耳了。文章1953年4月12日郵出，4月25日在自然雜誌發表。威爾金斯和富蘭克林根據他們自己的實驗材料和沃森/克裏克的DNA模型，各自寫了一篇文章，在同期《自然》雜誌發表。

1 沃森和克裏克：核酸的分子結構—DNA 的結構。在文章結尾，兩個人首先感謝了多諾霍，然後是威爾金斯，最後是富蘭克林。
2 威爾金斯：DNA 的分子結構。
3 富蘭克林：胸腺核酸鈉的分子構型。

文章發表後9年，沃森、克裏克和威爾金斯獲諾貝爾醫學生理學獎。“表彰他們在核酸分子結構及其對生命物質信息傳遞的重要性方麵的發現”。富蘭克林已經去世， 諾貝爾獎隻授予活著的人。

1962 年若幹諾貝爾獲獎者。從左到右：威爾金斯，佩魯茨 ( Perutz 沃森和克裏克在劍橋卡文迪什實驗室的導師，化學獎)，克裏克，斯坦貝克（Steinbeck 文學獎），沃森和約翰·肯德魯（John Kendrew，佩魯茨的同事，化學獎）。

1961年，克裏克和同事首先證明DNA每3個堿基就是一個氨基酸的密碼。不過，他們還沒有發現具體堿基組與氨基酸的對應關係。

1961-1966年，生化學家馬歇爾·W·尼倫伯格 (Marshall W. Nirenberg)破譯了64個三聯體堿基密碼，對應20個氨基酸。1968年，他與哈爾·戈賓德·科拉納 (Har Gobind Khorana) 和羅伯特·W·霍利 (Robert W. Holley)獲諾貝爾醫學生理獎。

九

富蘭克林當年（1953年）離開國王大學,  因為和威爾金斯搞不好，和主任物理學家John Randall關係也不好。她轉到Birkbeck College，在那裏一直用X 射線研究煙草花葉病毒（tobacco mosaic virus TMV），成為這方麵的國際權威。1958年到加州講學。完了後去爬山的時候，突然發作劇烈腹痛。她被發現患了卵巢癌， 1958年4月16日去世。

她為什麽患卵巢癌？ 可能是她吃射線太多。也可能是遺傳。她是Ashkenazi 猶太人。這族猶太人婦產科癌發病率特別高。

她的墓誌銘上寫道：她對於病毒的研究和發現，將永遠造福於人類。

前麵是富蘭克林的墓。

她對於DNA的貢獻呢？ 墓誌銘沒提。1958年，沃森等人還沒有因為DNA雙螺旋得諾貝爾獎。給她寫墓誌銘的人，還沒有意識她這個更大的貢獻。過去幾十年，提到DNA雙螺旋，就要提到富蘭克林的貢獻。沒有富蘭克林的研究、講座，特別是51號照片，沃森/克裏克就作不出DNA模型。更重要的是，為富蘭克林抱不平。3個大男人，偷了富蘭克林的資料，依靠富蘭克林的指教或者刻薄的指教，得了諾貝爾獎。而富蘭克林卻與諾貝爾獎無緣。富蘭克林與威爾金斯的矛盾，也上升到歧視女性的高度。

沒有沃森/克裏克，富蘭克林能不能發現DNA結構？ 可能性很小。富蘭克林是技術人才，而不是思維超前的科學家。她精通X 射線衍射技術，她可以作出精確的DNA、蛋白質X 射線衍射圖。她對實驗精益求精，對實驗本身感興趣。 但是她缺乏大視野，或者說對大視野興趣不高。威爾金斯和她差不多。沃森和克裏克剛好相反。 鬼使神差，他們湊在了一起。剛剛跨進DNA研究的門口，一年半多一點，就發現了遺傳的秘密。

大老板布拉格後來為沃森的書作序，其中一段寫道：

這個故事是一個研究者麵臨困境的一個令人心酸的例子。他（沃森）知道，一位同事多年來一直在研究一個問題，積累了大量來之不易的證據，但尚未發表，因為同事預計成功指日可待。 他（沃森）已經看到了這些證據，並且有充分的理由相信，以他設想的方法進行，或者隻是換一個角度，就會直接帶來解決方案。 但是，在這樣的階段提出合作，很可能被視為非法入侵。 他應該自己繼續嗎？要確定這個至關重要的新想法真的是他自己的，還是在與他人交談時無意識地吸收的，並不容易。 認識到這一困難導致科學家之間建立了一種有些模糊的準則，該準則承認其它同事可以在某種程度上就一係列研究提出主張。 當競爭來自四麵八方的時候，沒必要退縮。 這種困境在 DNA 故事中得到了清晰的體現。

布拉格為沃森和克裏克辯護，因為他們幾乎所有的實驗材料都來自威爾金斯和富蘭克林，特別是富蘭克林。最初我以為布拉格說的“一位同事”是指富蘭克林，結果發現是指威爾金斯，對富蘭克林隻字不提。 讓我大跌眼鏡。

參考

主要內容，特別是調料來自沃森1968年出版的小書《雙螺旋》，其它見文中鏈接。